Інтегрована антена-автогенератор

Реферат: Інтегрована антена-автогенератор належить до радіотехніки і може бути використана у пристроях автоматики і сигналізації, зокрема в системах охоронної сигналізації та керування швидкістю транспортних засобів, а також автогенераторних вимірювань. Антена-автогенератор, до складу якої входять діелектрична підкладка, на одній стороні якої розміщено металевий екран, а на іншій - перший мікросмужковий випромінювач, який через перший відрізок мікросмужкової лінії з'єднаний з колектором транзистора, реактивні елементи коливальної системи на відрізках мікросмужкових ліній, які під'єднані до бази і до емітера транзистора, фільтри розв'язки в колах живлення бази і емітера транзистора на відрізках мікросмужкових ліній і перший короткозамикач, який через отвір в діелектричній підкладці з'єднує центр першого мікросмужкового випромінювача з екраном з можливістю замикання кола для протікання постійної складової колекторного струму транзистора. Додатково містить другий мікросмужковий випромінювач, НВЧ електронний ключ на двох р-i-n діодах, другий відрізок мікросмужкової лінії для подачі сигналу керування на НВЧ електронний ключ на двох р-i-n діодах та другий короткозамикач. Технічним результатом є мінімізація можливого впливу сторонніх рухомих і статичних об'єктів, які знаходяться на близькій відстані збоку і позаду від радіохвильового сенсора на основі такої інтегрованої антени-автогенератора. UA 103135 C2 (12) UA 103135 C2 UA 103135 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до радіотехніки і може бути використаний як радіохвильовий сенсор для пристроїв автоматики і сигналізації, зокрема в системах охоронної сигналізації та керування швидкістю транспортних засобів, а також в галузі автогенераторних вимірювань. Найближчою за технічною суттю до запропонованої є інтегрована антена-автогенератор [патент США № 4736454, Н 04 В 1/04, 1988], яка складається з діелектричної підкладки з екраном і мікросмужкового випромінювача, відрізка мікросмужкової лінії, транзистора, реактивних елементів та фільтрів розв'язки в колах живлення на відрізках мікросмужкових ліній передачі, а також короткозамикачів для забезпечення режиму роботи транзистора за постійним струмом. Відома інтегрована антена-автогенератор є відкритою автоколивальною системою, тому поява в зоні її випромінювання статичного або рухомого об'єкту, параметри якого відрізняються від параметрів навколишнього середовища поширення радіохвиль, призведе до виникнення інформаційного сигналу, який буде проявлятися у зміні частоти генерованих коливань та струму споживання, що дозволяє створити на її основі високоефективний радіохвильовий сенсор, чутлива зона якого визначається формою діаграми спрямованості мікросмужкового випромінювача і є широкою. Під чутливою зоною, в даному випадку, розуміємо обмежену область простору, в якій переміщення або наявність стороннього об'єкта викликає інформаційний сигнал заданого рівня. Однак при вирішенні ряду задач, коли інтегрована антена-автогенератор використовується як радіохвильовий сенсор, виникає необхідність формувати чутливу зону, яка хоча б у одній із площин - горизонтальній або вертикальній, була би значно вужчою, ніж у іншій. Це дозволить мінімізувати вплив рухомих об'єктів, які знаходяться на близькій віддалі від такого сенсора збоку або позаду і можуть стати причиною хибного спрацювання або виникнення похибок вимірювань. Наприклад, при проведенні автогенераторних вимірювань, таким рухомим об'єктом може стати сам оператор, який проводить вимірювання. Звуження ширини чутливої зони за рахунок звуження ширини діаграми спрямованості антен призведе до значного зростання габаритів усього пристрою, що не завжди є прийнятним. В основу винаходу поставлено задачу створити інтегровану антену-автогенератор, у якій введення нових елементів і зв'язків дозволило б реалізувати на її основі радіохвильовий сенсор зі звуженою шириною чутливої зони в одній із площин, що дозволить мінімізувати можливий вплив сторонніх рухомих і статичних об'єктів, які знаходяться на близькій віддалі збоку і позаду від радіохвильового сенсора на основі такої інтегрованої антени-автогенератора. Інтегрована антена-автогенератор, до складу якої входять діелектрична підкладка, на одній стороні якої розміщено металевий екран, а на іншій перший мікросмужковий випромінювач, який через перший відрізок мікросмужкової лінії з'єднаний з колектором транзистора, реактивні елементи коливальної системи на відрізках мікросмужкових ліній, які під'єднані до бази і до емітера транзистора, фільтри розв'язки в колах живлення бази і емітера транзистора на відрізках мікросмужкових ліній і перший короткозамикач, який через отвір в діелектричній підкладці з'єднує центр першого мікросмужкового випромінювача з екраном з можливістю замикання кола для протікання постійної складової колекторного струму транзистора, згідно з винаходом, додатково містить другий мікросмужковий випромінювач, який розташований біля протилежного краю першого мікросмужкового випромінювача по відношенню до розміщення першого відрізка мікросмужкової лінії і транзистора, НВЧ електронний ключ на двох р-i-n діодах, який розміщений між першим мікросмужковим випромінювач і другим мікросмужковим випромінювачем і з'єднує їх, другий відрізок мікросмужкової лінії, який розташований між першим мікросмужковим випромінювачем і другим мікросмужковим випромінювачем, є рівновіддаленим від їх країв і одним кінцем під'єднаний до НВЧ електронного ключа на двох р-in діодах, та другий короткозамикач, який через отвір в діелектричній підкладці з'єднує центр другого мікросмужкового випромінювача з екраном з можливістю замикання кола для протікання постійної складової струму керування через другий р-i-n діод НВЧ електронного ключа на двох р-i-n діодах. Введення другого мікросмужкового випромінювача, НВЧ електронного ключа на двох р-i-n діодах, другого відрізка мікросмужкової лінії для подачі сигналу керування на НВЧ електронний ключ на двох р-i-n діодах та другого короткозамикача дозволяє змінювати форму діаграми спрямованості інтегрованої антени-автогенератора під дією цього сигналу керування. При розімкненому НВЧ електронному ключі на двох р-i-n діодах перший мікросмужковий випромінювач формує діаграму спрямованості, яка по формі близька до кардіоїди і максимум якої орієнтований по нормалі до діелектричної підкладки. При замкненому НВЧ електронному ключі на двох р-i-n діодах другий мікросмужковий випромінювач підключається до першого і вони разом утворюють єдину випромінюючу структуру, діаграма спрямованості якої має дві 1 UA 103135 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 пелюстки. Ці дві пелюстки відхилені в різні сторони від нормалі до діелектричної підкладки, тому в напрямку нормалі до діелектричної підкладки випромінювання незначне. У результаті, якщо на основі такої інтегрованої антени реалізувати радіохвильовий сенсор, то в одній із площин він буде мати звужену ширину чутливої зони, яка буде визначатися різницевою діаграмою спрямованості, яка дорівнює різниці діаграм спрямованості при розімкненому і замкненому станах НВЧ електронного ключа на двох р-i-n діодах. Таке звуження ширини чутливої зони дозволить мінімізувати можливий вплив сторонніх рухомих і статичних об'єктів, які знаходяться на близькій віддалі збоку і позаду від радіохвильового сенсора на основі такої інтегрованої антени-автогенератора. На фіг. 1 зображена інтегрована антена-автогенератор; на фіг. 2 схематично зображено формування чутливої зони радіохвильового сенсора на основі інтегрованої антениавтогенератора, де 1 - діелектрична підкладка; 2 - екран; 3 - перший мікросмужковий випромінювач; 4 - перший відрізок мікросмужкової лінії; 5 - транзистор; 6 і 7 - реактивні елементи коливальної системи на відрізках мікросмужкових ліній; 8 і 9 - відрізки мікросмужкових ліній фільтра розв'язки в колі живлення бази транзистора 5; 10 і 11 - відрізки мікросмужкових ліній фільтра розв'язки в колі живлення емітера транзистора 5; 12 - перший короткозамикач; 13 другий мікросмужковий випромінювач; 14 - перший р-i-n діод НВЧ електронного ключа; 15 другий р-i-n діод НВЧ електронного ключа; 16 – другий відрізок мікросмужкової лінії для подачі сигналу керування на НВЧ електронний ключ; 17 - другий короткозамикач; 18 - нормаль до площини діелектричної підкладки; 19 - діаграма спрямованості інтегрованої антениавтогенератора при розімкненому НВЧ електронному ключі; 20 - діаграма спрямованості інтегрованої антени-автогенератора при замкненому НВЧ електронному ключі; 21 - різницева діаграма спрямованості. Інтегрована антена-автогенератор містить діелектричну підкладку 1, на одній стороні якої розміщено металевий екран 2, а на іншій - перший мікросмужковий випромінювач 3, який через перший відрізок мікросмужкової лінії 4 з'єднаний з колектором транзистора 5, реактивні елементи коливальної системи на відрізках мікросмужкових ліній 6 і 7, які під'єднані до бази і до емітера транзистора 5, фільтри розв'язки в колах живлення бази і емітера транзистора на відрізках мікросмужкових ліній 8, 9, 10 і 11 і перший короткозамикач 12, який через отвір в діелектричній підкладці 2 з'єднує центр першого мікросмужкового випромінювача 3 з екраном 2 і замикає коло для протікання постійної складової колекторного струму транзистора 5, другий мікросмужковий випромінювач 13, який розташований біля протилежного краю першого мікросмужкового випромінювача 3 по відношенню до розміщення першого відрізка мікросмужкової лінії 4 і транзистора 5, НВЧ електронний ключ на двох р-i-n діодах 14 і 15, який розміщений між першим мікросмужковим випромінювач 3 і другим мікросмужковим випромінювачем 13 і з'єднує їх, другий відрізок мікросмужкової лінії 16, який розташований між першим мікросмужковим випромінювачем 3 і другим мікросмужковим випромінювачем 13, є рівновіддаленим від їх країв і одним кінцем під'єднаний до НВЧ електронного ключа на двох р-in діодах 14 і 15, та другий короткозамикач 17, який через отвір в діелектричній підкладці 2 з'єднує центр другого мікросмужкового випромінювача 13 з екраном 2 і замикає коло для протікання постійної складової струму керування через другий р-i-n діод 15 НВЧ електронного ключа на двох р-i-n діодах 14 і 15, при цьому для замикання кола для протікання постійної складової струму керування через перший р-i-n діод 14 НВЧ електронного ключа на двох р-i-n діодах 14 і 15 використовується перший короткозамикач 12. Колектор транзистора 5 за допомогою першого відрізка мікросмужкової лінії 4 гальванічно під'єднано до одного з країв першого мікросмужкового випромінювача 3, до бази транзистора 5 під'єднано реактивний елемент коливальної системи на відрізку мікросмужкової лінії 6, який має ємнісний характер вхідного імпедансу, до емітера транзистора 5 під'єднано реактивний елемент коливальної системи на відрізку мікросмужкової лінії 7, який також має ємнісний характер вхідного імпедансу. Ємнісний характер вхідних імпедансів забезпечується тим, що відповідні відрізки мікросмужкових ліній є розімкнені на кінці, а їх довжини є меншими λ/4 (λ - довжина робочої хвилі в мікросмужковій лінії). Живлення кола бази транзистора 5 за постійним струмом здійснюється за допомогою фільтра розв'язки на відрізках мікросмужкових ліній 8 і 9. Довжини обох відрізків становлять λ/4 у відповідній лінії. При цьому один кінець відрізка мікросмужкової лінії 8 під'єднано безпосередньо до бази транзистора 5, а до другого кінця відрізка мікросмужкової лінії 8 під'єднано відрізок мікросмужкової лінії 9. Відрізок мікросмужкової лінії 8 має великий хвильовий опір, а відрізок мікросмужкової лінії 9 - малий. Напруга живлення кола бази транзистора 5 подається в спільну точку з'єднання відрізків мікросмужкових ліній 8 і 9. Живлення кола емітера транзистора 5 здійснюється за допомогою аналогічного фільтра розв'язки по живленню на відрізках мікросмужкових ліній 10 і 11, довжиною λ/4 у відповідній 2 UA 103135 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 лінії. При цьому один кінець відрізка мікросмужкової лінії 10 під'єднано безпосередньо до емітера транзистора 5, а до другого кінця мікросмужкової лінії 10 під'єднано відрізок мікросмужкової лінії 11. Відрізок мікросмужкової лінії 10 має великий хвильовий опір, а відрізок мікросмужкової лінії 11 - малий. Напруга живлення кола емітера транзистора 5 подається в спільну точку з'єднання мікросмужкових ліній 10 і 11. Перший короткозамикач 12 забезпечує замикання постійної складової колекторного струму транзистора 5 за рахунок гальванічного з'єднання центру першого мікросмужкового випромінювача 3 з екраном 2 через отвір в діелектричній підкладці 1. Перший короткозамикач 12 не впливає на параметри першого мікросмужкового випромінювача 3 на робочій частоті, оскільки напруженість електромагнітного поля в центрі першого мікросмужкового випромінювача 3 дорівнює нулю. Другий мікросмужковий випромінювач 13 розташовано безпосередньо біля протилежного краю першого мікросмужкового випромінювача 3, по відношенню до розміщення першого відрізка мікросмужкової лінії 4 і транзистора 5. Між першим випромінювачем 3 і другим випромінювачем 13 встановлено НВЧ електронний ключ на двох р-i-n діодах 14 і 15. При цьому катод р-i-n діода 14 під'єднано безпосередньо до першого мікросмужкового випромінювача 3, а катод р-i-n діода 15 - до другого мікросмужкового випромінювача 13, аноди р-i-n діодів 14 і 15 разом під'єднані до другого відрізка мікросмужкової лінії 16, чим забезпечується подача сигналу керування на утворений таким чином НВЧ електронний ключ. Для замикання постійної складової струму керування р-i-n діодом 14 використовується перший короткозамикач 12, а для замикання постійної складової струму керування р-i-n діодом 15 використовується другий короткозамикач 17, який через отвір в діелектричній підкладці 2 з'єднує центр другого мікросмужкового випромінювача 13 з екраном 2 і замикає коло для протікання постійної складової струму керування через другий р-i-n діод 15. Другий короткозамикач 17 не впливає на параметри другого мікросмужкового випромінювача 13 на робочій частоті, оскільки напруженість електромагнітного поля в центрі другого мікросмужкового випромінювача 13 дорівнює нулю. За рахунок введення другого мікросмужкового випромінювача 13, який за допомогою НВЧ електронного ключа на двох р-i-n діодах 14 і 15 можна періодично підключати до першого мікросмужкового випромінювача 3, формується нова випромінююча структура, діаграма спрямованості якої, при замкненому НВЧ електронному ключі 20, має дві пелюстки, відхилені в протилежні сторони від нормалі до діелектричної підкладки 1, тому в напрямку нормалі 18 до площини діелектричної підкладки 1 випромінювання незначне. Форма чутливої зони радіохвильового сенсора на основі такої інтегрованої антениавтогенератора буде визначатися різницевою діаграмою спрямованості 21, яка дорівнює різниці діаграми спрямованості інтегрованої антени-автогенератора при розімкненому стані НВЧ електронного ключа 19 і діаграми спрямованості інтегрованої антени-автогенератора при замкненому стані НВЧ електронного ключа 20, що й забезпечить звуження її ширини і дозволить мінімізувати можливий вплив сторонніх рухомих і статичних об'єктів, які знаходяться на близькій віддалі збоку і позаду від радіохвильового сенсора на основі такої інтегрованої антени-автогенератора. При цьому діаграма спрямованості інтегрованої антени-автогенератора при розімкненому стані НВЧ електронного ключа 19 визначається діаграмою спрямованості першого мікросмужкового випромінювача 3, а діаграма спрямованості інтегрованої антениавтогенератора при замкненому стані НВЧ електронного ключа 20 визначається діаграмою спрямованості випромінюючої структури, яка складається з першого мікросмужкового випромінювача 3 і підключеного до нього другого мікросмужкового випромінювача 13. Пристрій працює наступним чином. При ємнісному характері вхідних імпедансів реактивних елементів коливальної системи на відрізках мікросмужкових ліній 6 і 7 і індуктивному характері вхідного імпедансу мікросмужкового випромінювача 3, до якого через відрізок мікросмужкової лінії 4 під'єднано колектор транзистора 5, утворюється модифікована ємнісна триточкова схема автогенератора. Живлення транзистора 5 за постійним струмом забезпечується за допомогою елементів 8, 9, 10, 11 і 12. Шляхом вибору співвідношення між вхідними імпедансами реактивних елементів коливальної системи на відрізках мікросмужкових ліній 6 і 7, що реалізується підбором довжин відповідних відрізків, забезпечується виконання умови генерування автоколивань, які випромінюються в навколишній простір першим мікросмужковим випромінювачем 3, а форма чутливої зони визначається формою діаграми спрямованості при розімкненому стані НВЧ електронного ключа 19, яка близька до кардіоїди з максимумом випромінювання по нормалі 18 до площини діелектричної підкладки 1. 3 UA 103135 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 При подачі сигналу керування на НВЧ електронний ключ на двох р-i-n діодах 14 і 15, другий мікросмужковий випромінювач 13 підключається до першого мікросмужкового випромінювача 3. В результаті цього формується діаграма спрямованості при замкненому стані ключа 20, яка має дві пелюстки, відхилені в протилежні сторони від нормалі 18 до площини діелектричної підкладки 1, а в напрямку нормалі до діелектричної підкладки 1 випромінювання незначне. Таким чином під дією періодичного сигналу керування НВЧ електронним ключем діаграма спрямованості інтегрованої антени-автогенератора буде змінюватися з частотою сигналу керування. Якщо на основі такої інтегрованої антени-автогенератора побудувати радіохвильовий сенсор, то інформаційний сигнал буде перенесений на частоту сигналу керування. Амплітуда цього інформаційного сигналу буде пропорційною різниці сигналів, отриманих при розімкненому і замкненому станах НВЧ електронного ключа на двох р-i-n діодах 14 і 15, що й буде визначати ширину чутливої зони. Оскільки в боковому та задньому напрямках ці сигнали приблизно однакові, то вони будуть взаємно компенсуватися, що й забезпечить звуження ширини чутливої зони. В напрямку нормалі 18 до площини діелектричної підкладки 1 різниця між цими сигналами є значною, що забезпечить високу чутливість радіохвильового сенсора на основі такої інтегрованої антени-автогенератора. Запропоноване технічне рішення дозволяє більше ніж в три рази звузити ширину чутливої зони і до десяти разів знизити чутливість в боковому та задньому напрямках по відношенню до нормалі 18 до площини діелектричної підкладки 1, що дозволяє мінімізувати можливий вплив сторонніх рухомих і статичних об'єктів, які знаходяться на близькій віддалі збоку і позаду від радіохвильового сенсора на основі такої інтегрованої антени-автогенератора. Аналогічне звуження ширини чутливої зони за рахунок звуження ширини діаграми спрямованості антенної системи призвело б до збільшення її розмірів у 2,5…3 рази, у порівнянні з запропонованим, і вимагало б вжити додаткові заходи по придушенню бічних пелюсток. Додатковим ефектом від застосування даного технічного рішення є підвищення чутливості за рахунок зниження впливу власних шумів інтегрованої антени-автогенератора, оскільки інформаційний сигнал переноситься на частоту сигналу керування НВЧ електронним ключем, де рівень цих шумів є незначним. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Інтегрована антена-автогенератор, до складу якої входять діелектрична підкладка, на одній стороні якої розміщено металевий екран, а на іншій - перший мікросмужковий випромінювач, який через перший відрізок мікросмужкової лінії з'єднаний з колектором транзистора, реактивні елементи коливальної системи на відрізках мікросмужкових ліній, які під'єднані до бази і до емітера транзистора, фільтри розв'язки в колах живлення бази і емітера транзистора на відрізках мікросмужкових ліній і перший короткозамикач, який через отвір в діелектричній підкладці з'єднує центр першого мікросмужкового випромінювача з екраном з можливістю замикання кола для протікання постійної складової колекторного струму транзистора, яка відрізняється тим, що додатково містить другий мікросмужковий випромінювач, який розташований біля протилежного краю першого мікросмужкового випромінювача по відношенню до розміщення першого відрізка мікросмужкової лінії і транзистора, НВЧ електронний ключ на двох p-i-n діодах, який розміщений між першим мікросмужковим випромінювач і другим мікросмужковим випромінювачем і з'єднує їх, другий відрізок мікросмужкової лінії, який розташований між першим мікросмужковим випромінювачем і другим мікросмужковим випромінювачем, є рівновіддаленим від їх країв і одним кінцем під'єднаний до НВЧ електронного ключа на двох p-i-n діодах, та другий короткозамикач, який через отвір в діелектричній підкладці з'єднує центр другого мікросмужкового випромінювача з екраном з можливістю замикання кола для протікання постійної складової струму керування через другий p-i-n діод НВЧ електронного ключа на двох р-i-n діодах. 4 UA 103135 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5